集成电路工艺基础_06_化学气相淀积

电子科技大学中山学院Chap6CVDIntroductionPrinciplesofCVDCVDEquipmentCVDdepositedfilmsPolysiliconSiliconoxideSiliconnitrideandOxynitridesMetalandOtherDielectricFilms电子科技大学中山学院MSI时代nMOS晶体管的各层膜p+siliconsubstratep-epilayer场氧化层n+n+p+p+n-wellILD氧化硅垫氧化层氧化硅氮化硅顶层栅氧化层侧墙氧化层金属前氧化层Poly金属多晶金属电子科技大学中山学院从MSI到LSI时代，芯片的设计和加工相对较为直接，上图给出了制作一个早期nMOS所需的淀积层。图中器件的特征尺寸远大于1µm。如图所示，硅片上各层并不平坦，这将成为VLSI时代所需的多层金属高密度芯片制造的限制因素。随着特征尺寸越来越小，在当今的高级微芯片加工过程中，需要6层甚至更多的金属来做连接，各金属之间的绝缘就显得非常重要，所以，在芯片制造过程中，淀积可靠的薄膜材料至关重要。薄膜制备是硅片加工中的一个重要工艺步骤。电子科技大学中山学院ULSI硅片上的多层金属化钝化层压点金属p+SiliconsubstrateViaILD-2ILD-3ILD-4ILD-5M-1M-2M-3M-4p-Epitaxiallayerp+ILD-6LIoxideSTIn-wellp-wellILD-1Polygaten+p+p+n+n+LImetal电子科技大学中山学院芯片中的金属层电子科技大学中山学院薄膜特性好的台阶覆盖能力填充高的深宽比间隙的能力好的厚度均匀性高纯度和高密度受控制的化学剂量高度的结构完整性和低的膜应力好的电学特性对衬底材料或下层膜好的黏附性电子科技大学中山学院化学气相淀积(ChemicalVaporDeposition)CVD定义：通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程*它是半导体生产中最重要的薄膜淀积方法，除了某些金属材料之外，基本都用CVD进行淀积。SiliconsubstrateOxide宽厚与衬底相比薄膜非常薄电子科技大学中山学院化学气相淀积(ChemicalVaporDeposition)CVD技术特点：具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单等一系列优点CVD方法几乎可以淀积集成电路工艺中所需要的各种薄膜，例如掺杂或不掺杂的SiO2、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼)等电子科技大学中山学院CVD相对于PVD,有什么优点？跟材料特性相关的性质——结晶性和理想配比都比较好薄膜成分和膜厚容易控制*淀积温度低*台阶覆盖性好（stepcoverage)电子科技大学中山学院CVDoutlineIntroductionPrinciplesofCVDCVDEquipmentCVDdepositedfilmsPolysiliconSiliconoxideSiliconnitrideandOxynitridesMetalandOtherDielectricFilms电子科技大学中山学院CVD的薄膜生长原理薄膜生长的过程生长模型电子科技大学中山学院薄膜生长过程1、反应剂气体混合物以合理的流速被输运到沉积区2、反应剂气体由主气流通过边界层扩散到衬底表面3、反应剂气体吸附在衬底表面上4、吸附原子（分子）发生化学反应，生成薄膜基本元素5、副产物分子离开衬底表面，由衬底外扩散到主气流，排出电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院边界层理论气体速度受到扰动并按抛物线型变化、同时还存在反应剂浓度梯度的薄层称为边界层（附面层、滞留层）气体分子的平均自由程远小于反应室的几何尺寸，可以认为气体为黏滞性流动由于气体的黏滞性，气体与硅片表面或侧壁存在摩擦力，该摩擦力使紧贴硅片表面或者侧壁的气体流速为零在离硅片表面或者侧壁一定距离处，气体流速过渡到最大气流Um电子科技大学中山学院Grove模型（1）F1：主气流到衬底表面的反应剂流密度F2：反应剂在表面反应后淀积成固态薄膜的流密度Cg：反应剂在主气流中的浓度Cs：反应剂在硅表面处的浓度电子科技大学中山学院Grove模型（2）Grove模型能够准确预测薄膜淀积速率，认为控制薄膜沉淀速率的两个因素为：1气相输运过程2表面化学反应过程电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院（1）F1=hg(Cg─Cs)（2）F2=ksCs其中：hg为气相质量输运系数，ks为表面化学反应速率常数稳定状态：F1=F2=F∴Cs=Cg/(1+ks/hg)（1）hgks时，Cs趋向Cg，淀积速率受表面化学反应控制（2）kshg时，Cs趋向0，淀积速率受质量输运速率控制Grove模型（3）电子科技大学中山学院结论：（1）淀积速率与Cg（反应剂的浓度）或者Y（反应剂的摩尔百分比）成正比；（2）在Cg或者Y为常数时，薄膜淀积速率将由Ks和hg中较小的一个决定。Grove模型（4）薄膜淀积速率（其中N1表示形成一个单位体积薄膜所需要的原子数量）：YNChkhkNChkhkNFGTgsgsggsgs111电子科技大学中山学院DiffusionandSurfacecontrolregions对于一个确定的表面反应，当温度升高到一定程度时，由于反应速度的加快，输运到表面的反应剂数量低于该温度下表面化学反应所需要的数量，这时的淀积速率将转为由质量输运控制，反应速度不再随温度变化而变化。电子科技大学中山学院增加气流速率可以提高淀积速率当气流速率大到一定程度的时候，淀积速率受表面化学反应速率控制薄膜淀积速率(1)电子科技大学中山学院升高温度可以提高淀积速率但随着温度的上升，淀积速率对温度的敏感度不断下降；当温度高过某个值后，淀积速率受质量输运速率控制薄膜淀积速率(2)图6.8硅膜淀积速率与温度倒数的关系表面化学反应控制：温度质量输运速率控制：位置电子科技大学中山学院CVDoutlineIntroductionPrinciplesofCVDCVDEquipmentCVDdepositedfilmsPolysiliconSiliconoxideSiliconnitrideandOxynitridesMetalandOtherDielectricFilms电子科技大学中山学院CVDEquipment化学气相淀积系统气态源或液态源气体输入管道气体流量控制系统反应室基座加热及控制系统温度控制及测量系统减压系统（LPCVD和PECVD)电子科技大学中山学院6.2.1CVD的气体源气体源趋向液态气态源不安全淀积的薄膜特性不好液态源的输送保存在室温下的液态源，使用时先注入到气化室中，气化后直接输送到反应室中电子科技大学中山学院冒泡法中反应剂浓度控制：携带气体的流速源瓶的温度气体的流速由气体流量控制系统控制电子科技大学中山学院6.2.2质量流量控制系统进入反应室的气体流量精确可控控制反应室的气压直接控制气体流量，质量流量控制系统•质量流量计•阀门气体流量单位:体积/单位时间温度为273K，一个标准大气压下，每分钟通过的气体体积电子科技大学中山学院6.2.3CVD反应室的热源Kamins2000薄膜是在高于室温的温度下淀积的。热壁系统：Tw=Ts冷壁系统：TwTs•Tw：反应室的侧壁温度•Ts：放置硅片的基座温度热壁和冷壁淀积室各有优缺点，根据需要进行选择。电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院6.2.4CVD系统的分类常压化学气相淀积(APCVD)低压化学气相淀积(LPCVD)等离子增强化学气相淀积(PECVD)电子科技大学中山学院APCVD反应器的结构示意图电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院APCVD操作简单，淀积速率高，适合介质薄膜的淀积。易发生气相反应，产生污染台阶覆盖性和均匀性比较差质量输运控制淀积速率，对反应室结构和气流模式提出高的要求电子科技大学中山学院LPCVD反应器的结构示意图电子科技大学中山学院电子科技大学中山学院LPCVD表面反应速率控制淀积速率原因：在较低的气压下，气体的扩散速率比在一个大气压下高出很多倍。结果：对温度比较敏感，温度相对来说较易控制，对反应室结构要求不高，可放置较多的硅片。优点污染少，均匀性和台阶覆盖性较APCVD好缺点：相对低的淀积速率，相对高的工作温度电子科技大学中山学院LPCVD气缺现象：当气体反应剂被消耗而出现的反应剂浓度改变的现象对于只有一个入气口的反应室，情况比较严重。措施：在水平方向上逐渐提高温度来加快反应速度，从而提高淀积速率采用分布式的气体入口增加反应室中的气流速度电子科技大学中山学院LPCVD应用多晶硅薄膜的淀积（580~650℃）中温LPCVDSiO2（500~800℃）中温LPCVDSi3N4（700~800℃）242HSiSiHoductsSiOTEOSPr22433223643HHClNSiNHHSiCl电子科技大学中山学院平行板型PECVD反应器的结构示意图电子科技大学中山学院PECVD最常用反应激活能：通过非热能源的射频（RF）等离子体来激活和维持化学反应。低温淀积•应用：在Al上淀积二氧化硅或氮化硅较高的淀积速率表面反应速率控制淀积速率，精确控制衬底的温度，可得到均匀的薄膜。电子科技大学中山学院PECVD等离子体中的电子与反应气体分子碰撞反应气体分子分解成多种成份：离子、原子及活性基团活性基团不断吸附在基片表面上吸附在表面上的活性基团之间发生化学反应生成薄膜层表面吸附的离子受到离子和电子的轰击，易迁移，发生重新排列。淀积的薄膜均匀性良好，具有填充小尺寸结构的能力。电子科技大学中山学院CVD的三种方法比较APCVD设备简单，淀积速率大（1000A/min）。易气相成核，均匀性不好，材料利用率低。质量输运控制淀积速率。LPCVD均匀性好，台阶覆盖性好，污染少。对反应室结构要求低。装片量大。淀积速度低，工作温度高。表面反应控制淀积速率。电子科技大学中山学院PECVD反应温度低，附着性好，良好的阶梯覆盖，良好的电学特性可以与精细图形转移工艺兼容，薄膜应力低，主流工艺。具备LPCVD的优点•highdepositionrateatrelativelylowtemperature•Improvefilmqualityandstresscontrolthroughionbombardment（炮击，轰击）表面反应控制淀积速率CVD的三种方法比较电子科技大学中山学院CVDoutlineIntroductionPrinciplesofCVDCVDEquipmentCVDdepositedfilmsPolysiliconSiliconoxideSiliconnitrideandOxynitridesMetalandOtherDielectricFilms电子科技大学中山学院多晶硅的优点（Al的熔点为659℃）：多晶硅与随后的高温热处理工艺有很好的兼容性与Al栅相比，多晶硅与热生长二氧化硅的接触性能更好在陡峭的台阶上淀积多晶硅时能够获得很好的保形性应用：栅电极互联引线导体和电阻（高电阻值）填充介质隔离技术中的深槽6.3CVD多晶硅的特性和淀积方法电子科技大学中山学院6.3.1多晶硅薄膜的性质（物理）物理结构由小单晶组成，多晶界淀积薄膜为非晶或多晶（取决于工艺），非晶经热处理可转为多晶。晶粒表面原子周期性排列受到破坏，所以晶粒间界具有高密度缺陷和悬挂键•晶界处的扩散系数明显高于晶粒内部的扩散系数•高温时存在于晶粒内的杂质在低温时由于分凝作用会运动到晶界电子科技大学中山学院电学特性多晶硅的电阻率高于单晶硅的电阻率•掺杂原子在热处理过程中易到